近日，中國工程院院士謝和平在《煤炭學報》上發(fā)表了題為《碳中和目標下煤炭行業(yè)機遇》的論文。論文分析了美國碳達峰前后現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，提出我國能源優(yōu)化發(fā)展的三大路徑：持續(xù)提高能源效率，減少能源消費；大力發(fā)展新能源，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)；增強能源自給能力，保障能源安全。論文研判了我國能源消費格局演變趨勢及不同時段煤炭消費規(guī)模，即我國能源消費格局演變分為三個階段，煤炭由基礎(chǔ)能源（2021~2030年）、保障能源（2031~2050年）轉(zhuǎn)向支撐能源（2051~2060年），新能源對應由補充能源、替代能源成為主體能源。論文闡明，即使全面實現(xiàn)了碳中和，仍需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑和保障能源安全的兜底能源；碳中和目標下，我國煤炭行業(yè)將迎來三大機遇，即實現(xiàn)煤炭高質(zhì)量發(fā)展的機遇、煤炭升級高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機遇、煤炭搶占新能源主陣地的機遇。
就此，本報記者對謝和平院士進行了專訪。
“雙碳”目標下，我們能源需求總量將呈現(xiàn)怎樣的發(fā)展趨勢？
謝和平：從GDP、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、就業(yè)結(jié)構(gòu)、城鎮(zhèn)人口占比等經(jīng)濟社會指標綜合來看，目前我國現(xiàn)代化程度與美國1950~1970年相當。我國現(xiàn)代化進程的持續(xù)推進仍然需要強勁的能源支撐。除了個別異常年份外，改革開放以來，我國能源消費彈性系數(shù)一直維持在0.5左右，充分顯示了我國經(jīng)濟增長與能源消費唇齒相依的關(guān)系。主要發(fā)達國家的歷史經(jīng)驗表明，在工業(yè)化階段和現(xiàn)代化的前期階段，能源消費彈性系數(shù)維持在較高水平。按照《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》提出的“到2035年基本實現(xiàn)社會主義現(xiàn)代化”的目標，若屆時人均GDP達到3萬美元左右的中等發(fā)達國家水平，我國GDP將增長到200萬億元以上。即使能源消費彈性系數(shù)保持在美國1949~1999年0.31左右的水平，到2035年我國能源需求也將接近60億噸標準煤，單位GDP能耗與美國2019年相當。預計人均GDP達到3萬美元后，經(jīng)濟增長開始與能源消費脫鉤，我國能源消費量先保持穩(wěn)定而后有所下降，預計到2060年仍保持在55~60億噸標準煤。
“雙碳”目標下，我國能源優(yōu)化發(fā)展有哪些路徑？
謝和平：能源轉(zhuǎn)型是我國實現(xiàn)“雙碳”目標的核心所在，但不意味著要完全退出煤炭，完全退出化石能源。借鑒美國碳達峰前后的能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會所處發(fā)展階段，“雙碳”目標下，我國能源發(fā)展將主要有三大路徑。
一是持續(xù)提高能源效率，減少能源消費。
美國能源消費碳排放強度在碳達峰前期、碳達峰平臺期下降幅度較小，實現(xiàn)碳達峰核心是提高能源效率，降低單位GDP能耗，在不大幅度增加能源消費的前提下，支撐經(jīng)濟增長。2019年美國單位GDP能耗僅相當于1949年的3.9%。
我國單位GDP能耗自1988年以來呈現(xiàn)快速下降趨勢，由29.8噸標準煤/萬美元降低到2019年的3.4噸標準煤/萬美元，降低了88.6%，但仍是世界平均水平的1.4~1.5倍，是美國的2倍。若能達到世界平均水平，每年可少用能13億噸標準煤，減排二氧化碳34億噸，約占2020年我國碳排放量的1/3。因此，提高能源效率，減少能源消費，是我國實現(xiàn)碳達峰碳中和的最重要途徑。
二是大力發(fā)展新能源，優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。
能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化核心是電力結(jié)構(gòu)優(yōu)化。1949~2015年，煤炭一直是美國發(fā)電能源的第一大來源，從2016年起天然氣成為第一大發(fā)電能源。到2020年，天然氣發(fā)電占比達到40%，可再生能源占21%，核電占19%，燃煤發(fā)電19%，化石能源仍占59%。在碳達峰前期，燃煤發(fā)電在美國的電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導地位，但占比呈下降趨勢，天然氣發(fā)電呈增加趨勢，其他能源發(fā)電占比變化不大。在碳達峰平臺期，燃煤發(fā)電占比呈現(xiàn)下降趨勢，天然氣發(fā)電占比穩(wěn)步增加，天然氣對煤炭的替代是推動美國碳達峰的重要原因。在碳達峰后期，燃煤發(fā)電占比由2009年的45.7%迅速降低到2020年的19.9%，天然氣發(fā)電由2009年的22.1%增加到2020年的39.3%，可再生能源發(fā)電穩(wěn)步增加了10.5個百分點。天然氣和可再生能源持續(xù)替代煤炭發(fā)電，支撐了美國碳達峰后期碳排放量下降。
近年來，我國大力發(fā)展新能源技術(shù)，非化石能源發(fā)電在我國電力結(jié)構(gòu)中的占比顯著上升，但依然沒有改變我國以煤電為主的電力結(jié)構(gòu)，2020年我國電力結(jié)構(gòu)中火電發(fā)電量占比大于60%。與美國碳達峰前后電力結(jié)構(gòu)對比，我國電力結(jié)構(gòu)還有很大優(yōu)化空間。然而，我國天然氣增產(chǎn)有限，難以像美國那樣作為發(fā)電的第一大能源。“雙碳”目標下，我國應大力發(fā)展風能、太陽能、地熱能等可再生能源發(fā)電技術(shù)，逐步提高非化石能源發(fā)電占比，持續(xù)優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)。
三是增強自給能力，保障能源安全。
能源安全穩(wěn)定供應是一個國家強盛的保障和安全的基石，美國制定前瞻性的能源戰(zhàn)略并通過立法長期推進“能源獨立”。自1973年尼克松總統(tǒng)提出能源獨立計劃，此后歷屆美國政府均將能源獨立作為能源政策的重要內(nèi)容。2020年，美國的能源自給率達到103%。
我國油氣對外依存度持續(xù)上升，能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)?；谀茉促Y源稟賦條件，我國不能簡單復制美國發(fā)展非常規(guī)油氣的能源獨立模式，但可借鑒其成功經(jīng)驗。煤炭具備適應我國能源需求變化的開發(fā)能力，具有開發(fā)利用的成本優(yōu)勢，煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化技術(shù)經(jīng)過2005年以來的“技術(shù)示范”“升級示范”已較為成熟，具備短期內(nèi)形成大規(guī)模油氣接續(xù)能力的基礎(chǔ)，應當充分發(fā)揮煤炭在平衡能源品種中的作用，推進煤炭與油氣和新能源互補耦合發(fā)展，保障我國能源安全。
“雙碳”目標下，我國能源消費格局將如何演變？
謝和平：借鑒美國等西方國家現(xiàn)代化進程、能源消費、碳排放強度等基本特征和變化規(guī)律，結(jié)合我國能源發(fā)展趨勢和相關(guān)政策，預計今后一段時期我國能源消費格局變化將主要有三個階段。
第一階段是緩慢過渡期（2021~2030年）。適應碳達峰的要求，風、光等新能源是滿足能源增量需求的主體，規(guī)模增長速度快，但是由于基數(shù)小，在能源消費結(jié)構(gòu)中的占比提高緩慢，逐步由15%向30%靠近，成為補充能源。而由于我國支撐經(jīng)濟社會發(fā)展的能源需求持續(xù)增長，新能源增量很難趕上能源需求增量，煤炭消費量保持平穩(wěn)或略有增長，維持在45~35億噸/年，但是煤炭在能源消費中的占比逐步下降到50%左右，由主體能源轉(zhuǎn)變?yōu)榛A(chǔ)能源。
第二階段是關(guān)鍵過渡期（2031~2050）。新能源不僅是滿足能源增量需求的主體，并且開始替代化石能源，新能源在能源消費中的占比提高到30%~49%，成為替代能源。與此同時，受碳排放約束，煤炭消費一定程度上被替代，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏φ{(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障經(jīng)濟運行的能源平穩(wěn)安全供應等兜底能源，煤炭消費量下降到35~25億噸/年，由基礎(chǔ)能源轉(zhuǎn)變?yōu)楸Ｕ夏茉础?/span>
第三階段是過渡結(jié)束期（2050~2060）。隨著進入碳中和攻堅期，新能源大幅度代替?zhèn)鹘y(tǒng)化石能源，新能源在能源消費中的占比提高到50%~80%，成為主體能源。與此同時，受碳排放約束，煤炭只剩下電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障能源供應安全等不能被替代的用途，煤炭消費量下降到15~12億噸/年，由保障能源轉(zhuǎn)變?yōu)橹文茉础?/span>
“雙碳”目標實現(xiàn)后，我國哪些領(lǐng)域還將需要煤炭？
謝和平：美國在2007年碳達峰后，煤炭年消費長期保持在7~10億噸，2018年后才快速下降，到目前為5億噸左右。德國在1990年碳達峰后，煤炭消費多年保持在2億噸左右。日本在2013年碳達峰后，煤炭仍長期占能源消費的20%以上。美國、德國、日本發(fā)展歷程表明，即使有可替代煤炭的能源，碳達峰后仍然會使用煤炭，只是煤炭的用途發(fā)展了變化。鑒于我國能源資源稟賦和經(jīng)濟社會所處階段，煤炭消費量占比雖下降，但煤炭在能源體系中的“壓艙石”和“穩(wěn)定器”作用越來越凸顯。在不考慮CCS/CCUS技術(shù)進步緩解煤炭利用碳排放約束的情況下，借鑒發(fā)達國家的發(fā)展歷程，預計我國在2060年完全實現(xiàn)碳中和后，仍需要煤炭作為電力調(diào)峰、碳質(zhì)還原劑以及保障油氣供應安全的兜底能源。
碳中和后仍需要燃煤發(fā)電作為調(diào)峰電源平抑電力波動。
碳中和目標下，風、光等可再生能源發(fā)電成為增量電力供應的主要來源，煤炭單純作為電力來源的需求將逐步下降。然而，受氣候、天氣、光照等人為不可控的自然條件影響，可再生能源波動性較大，提供的主要是能源量，能源供應和調(diào)節(jié)能力有限?？稍偕茉创蟊壤尤腚娋W(wǎng)，將給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行帶來嚴峻挑戰(zhàn)，需要燃煤發(fā)電作為調(diào)峰電源平抑電力波動。
我國2020年燃煤發(fā)電量占比降到60.8%，未來燃煤發(fā)電在電力結(jié)構(gòu)中占比的下降速度將取決于可再生能源電量對煤電的替代、可再生能源電力對煤電調(diào)峰的需求兩個方面。即使可再生能源最大能力發(fā)展，到2060年實現(xiàn)碳中和后，煤炭不再單純作為電力來源，僅作為電力調(diào)峰的形式存在，按可再生能源電力調(diào)峰需求一半由燃煤發(fā)電來滿足，我國燃煤發(fā)電裝機規(guī)模仍需保持3~4億千瓦，年耗煤量3.9~6.4億噸。
碳中和前后我國鋼鐵生產(chǎn)的碳質(zhì)還原劑還將主要由煤炭提供。
鋼鐵是現(xiàn)代化進程中的必需品，煤炭是煉鋼所需碳質(zhì)還原劑的最主要來源。雖然氫能被寄予厚望，但是目前全球氫冶金技術(shù)尚處于研發(fā)、試驗階段，據(jù)預測，到2050年前后高純氫能冶煉鋼鐵可實現(xiàn)工業(yè)化。我國雖然出臺了一系列政策推動氫能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展，但政策主要著力于交通領(lǐng)域，在工業(yè)領(lǐng)域的應用還處于政策制定和規(guī)劃之中。因此，到2060年實現(xiàn)碳中和前后，我國鋼鐵生產(chǎn)的碳質(zhì)還原劑還將主要由煤炭提供。
自2017年我國推進供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革及收緊廢鋼進口政策，國產(chǎn)廢鋼的利用得到快速發(fā)展，廢鋼煉鋼比由2017年的17.8%，增加到2020年的21.2%，但仍遠低于美國的72.1%和世界平均水平的48.3%。假設(shè)未來40年我國的人均粗鋼表觀需求量達到美國能源信息署公布的美國1980~2020年的水平，我國廢鋼煉鋼比在2050年前后達到70%~80%后保持穩(wěn)定，預計到2060年碳中和前后，我國作為碳質(zhì)還原劑的煤炭需求仍將為3.0~3.7億噸。
碳中和后為緩解油氣對外依存度，仍需煤炭保障能源安全。這是我國特有的能源資源稟賦所決定的。
近20年來，我國油氣消費日益增長，油氣進口不斷加大，對外依存度逐年提高，2020年已上升到73%和43%，油氣的安全穩(wěn)定供應已成為我國能源安全的核心問題。從能源安全的視角，我們團隊完成了《緩解油氣對外依存度的煤炭作為研究》課題研究，聚類歸納出煤炭接續(xù)油氣的主要路徑，分析評估了煤炭接續(xù)油氣的發(fā)展?jié)摿?，預測到2060年緩解油氣對外依存度的煤炭需求將達到4.9~5.2億噸。
綜合測算，到2060年，我國年煤炭需求量為11.8~15.3億噸。
提出挑戰(zhàn)的同時，“雙碳”目標給煤炭行業(yè)帶來了哪些機遇？
謝和平：我國曾多次出臺政策措施減少煤炭消費，但效果并不明顯。經(jīng)濟社會發(fā)展對煤炭的高強度持續(xù)需求，推動了煤炭行業(yè)被動式超負荷運行。“雙碳”目標促進煤炭消費減量，帶動煤炭生產(chǎn)強度下降，給煤炭行業(yè)帶來發(fā)展空間受限的嚴峻挑戰(zhàn)，也為煤炭行業(yè)留出降低發(fā)展速度、提升發(fā)展質(zhì)量的時間和空間，給煤炭行業(yè)帶來轉(zhuǎn)型發(fā)展的機遇。
一是回歸高質(zhì)量發(fā)展的機遇。
煤炭行業(yè)70年負載運行，超負荷生產(chǎn)，為經(jīng)濟社會發(fā)展貢獻了925億噸煤炭產(chǎn)品，在支撐經(jīng)濟社會快速發(fā)展的同時，也帶來了一系列嚴重的問題。一些煤礦高負荷甚至超能力生產(chǎn)，安全生產(chǎn)事故時有發(fā)生。井下工程和采空區(qū)規(guī)模超出地質(zhì)承載力，嚴重破壞了地下水系，造成大面積地表沉陷和植被破壞。
煤炭行業(yè)專家學者早在20世紀末就提出推進煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的愿望。中國工程院院士錢鳴高等提出煤炭科學開采和建設(shè)科學產(chǎn)能，應該根據(jù)地質(zhì)條件、技術(shù)水平建設(shè)科學產(chǎn)能，煤炭產(chǎn)量控制在合理規(guī)模。我們團隊也提出涵蓋生產(chǎn)安全度、生產(chǎn)綠色度、生產(chǎn)機械化程度三個層面的科學產(chǎn)能評價指標體系，經(jīng)評價，2010年全國煤炭生產(chǎn)總量34.28億噸，其中符合科學產(chǎn)能標準的是10.78億噸，僅占比31%；到2020年，全國煤炭生產(chǎn)總量39億噸，其中符合科學產(chǎn)能標準的接近30億噸，占比71%。
盡管目前科學產(chǎn)能的理念已被廣泛接受，但是建設(shè)步伐不及預期。碳達峰碳中和目標下，煤炭行業(yè)可放下產(chǎn)量超負荷增長的包袱，回歸到合理規(guī)模，走自己的高質(zhì)量發(fā)展之路，這為煤炭行業(yè)回歸高端發(fā)展提供了難得機遇。煤炭行業(yè)需要盡快從擴大產(chǎn)能產(chǎn)量追求粗放型效益為第一目標的增量時代，邁向更加重視生產(chǎn)、加工、儲運、消費全過程安全性、綠色性、低碳性、經(jīng)濟性的存量時代，快速提升發(fā)展質(zhì)量。
二是煤炭行業(yè)升級高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的機遇。
2015年以來，煤炭行業(yè)主動提出煤炭革命、自我革命。理念上，推進煤炭開發(fā)利用一體化、礦井建設(shè)與地下空間利用一體化、煤基多元清潔能源協(xié)同開發(fā)和煤炭潔凈低碳高效利用。目標和藍圖上，通過技術(shù)創(chuàng)新、理念創(chuàng)新實現(xiàn)零生態(tài)損害的綠色開采、零排放的低碳利用，建設(shè)多元協(xié)同的清潔能源基地，實現(xiàn)采掘智能化、井下“無人化”、地面“無煤化”，推進煤炭成為清潔能源；煤礦成為集合光、風、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地；煤炭行業(yè)成為社會尊重、人才向往的高新技術(shù)行業(yè)。技術(shù)路線上，分智能化無人開采、流體化開采、地下空間開發(fā)利用、清潔低碳利用四大領(lǐng)域，提出了升級與換代、拓展與變革、引領(lǐng)與顛覆三階段、三層次技術(shù)裝備攻關(guān)清單。攻關(guān)重點上，提出了煤炭資源深部原位流態(tài)化開采的定義、內(nèi)涵、關(guān)鍵詞，系統(tǒng)闡述了深部原位流態(tài)化開采構(gòu)想、基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)體系，并給出了核心顛覆性技術(shù)構(gòu)想。
煤炭革命的理念已獲廣泛認可，大量高校、科研院所已開始研究，一些研究團隊取得了一定進展，但尚未取得重大突破。深圳大學提出了一種可適用于現(xiàn)場施工的固體資源流態(tài)化開采新方法—迴行開采結(jié)構(gòu)及方法，進行深部煤炭資源流態(tài)化開采時只需布置一個水平大巷和一個流態(tài)化資源井下中轉(zhuǎn)站，不需要建設(shè)用于煤炭提升、運輸?shù)木?。中國礦業(yè)大學提出了鉆井式煤與瓦斯物理流態(tài)化同采方法，通過地面鉆井對突出等煤層實施高壓射流原位破煤，碎煤顆粒以流態(tài)形式輸運至地面，同時涌出瓦斯經(jīng)鉆井抽采利用，并將地面固廢材料回填至采煤空穴，實現(xiàn)近零生態(tài)損害的煤與瓦斯協(xié)同開采，顛覆傳統(tǒng)的煤炭井工開采模式。“雙碳”目標倒逼煤炭行業(yè)改變過去幾十年引進—消化—吸收—再創(chuàng)新的路徑延續(xù)式創(chuàng)新模式，煤炭行業(yè)將迎來實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新的機遇，可以集聚優(yōu)勢創(chuàng)新資源，輕裝上陣主攻自主原創(chuàng)的革新技術(shù)及裝備，早日成為高精尖技術(shù)產(chǎn)業(yè)。
三是搶占新能源主陣地的機遇。
煤炭與可再生能源具有良好的互補性。煤炭的主要利用方式是發(fā)電，可再生能源利用的主要方式也是發(fā)電，燃煤發(fā)電與可再生能源發(fā)電優(yōu)化組合，可充分利用燃煤發(fā)電的穩(wěn)定性，為可再生能源平抑波動提供基底，規(guī)避可再生能源發(fā)電的不穩(wěn)定性；利用可再生能源的碳綜合能力，為燃煤發(fā)電提供碳減排途徑，在很大程度上減輕單純?nèi)济喊l(fā)電的碳減排壓力。除了電力外，煤炭與可再生能源在燃燒和化學轉(zhuǎn)化方面的耦合，也逐步形成模式，突破了一系列新原理新技術(shù)，為煤炭與可再生能源深度耦合提供了良好基礎(chǔ)。
煤礦區(qū)具有發(fā)展可再生能源的先天優(yōu)勢。煤礦區(qū)除了豐富的煤炭資源外，還有大量的土地、風、光等其他資源。我國目前已有及未來預計新增的采煤沉陷區(qū)面積超過6萬平方千米，可為燃煤發(fā)電和風光發(fā)電深度耦合提供土地資源。煤礦井巷落差大，可用于抽水蓄能，為可再生能源調(diào)峰。我國煤礦井巷和采空區(qū)形成的地下空間大，體積超過156億立方米，且有不少的殘煤。殘余煤炭二氧化碳吸附能力強，有利于井下碳吸附、碳儲存。此外，井下溫度較高且穩(wěn)定，可發(fā)展地熱開發(fā)利用技術(shù)。過去很多年，煤炭企業(yè)發(fā)展新能源基礎(chǔ)弱，也沒有動力、決心，碳中和目標倒逼煤炭企業(yè)主動發(fā)展新能源，進入新能源主陣地。可以充分發(fā)揮煤礦區(qū)優(yōu)勢，以煤電為核心，與太陽能發(fā)電、風電協(xié)同發(fā)展，構(gòu)建多能互補的清潔能源系統(tǒng)，將煤礦區(qū)建設(shè)成為地面—井下一體化的風、光、電、熱、氣多元協(xié)同的清潔能源基地。
煤炭行業(yè)應把握“雙碳”目標為行業(yè)留出的降低過去超負荷發(fā)展速度的窗口期，作為提升自身發(fā)展質(zhì)量的時間和空間，抓住轉(zhuǎn)型機遇，碳達峰碳中和進程也將是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級乃至顛覆式發(fā)展的過程。實現(xiàn)碳中和后，煤炭有望成為精品，雖然產(chǎn)量降低，但價格回歸到應有的本真價值，反映地表無塌陷、生態(tài)無損傷條件下的綠色低碳煤炭生產(chǎn)完全成本；煤礦有望成為現(xiàn)代化能源供應系統(tǒng)，按需靈活生產(chǎn)煤炭、電力、碳材料等，井下巷道儲能，平抑可再生能源波動，煤炭與可再生能源互補，穩(wěn)定供應清潔能源；煤礦區(qū)有望成為零碳/負碳清潔能源生產(chǎn)基地，地下空間碳固化、碳封存，就地處置煤炭利用產(chǎn)生的二氧化碳，地面可再生能源利用，零碳排放，礦區(qū)植被形成碳匯，負碳排放；煤炭企業(yè)有望成為清潔能源和高端材料供應商，成為新能源開發(fā)的主陣地、煤基高端碳材料的引領(lǐng)者。（中國煤炭報）
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